粉末冶金马氏体不锈钢材料的研制.pdf

第 2 3 卷第 3期 2 0 1 3年 6月 粉末 冶 金工 业 P OW DER M ETALLURGY I NDUS TRY V0 1 ．2 3 No． 3 J u n ．2 0 i 3 粉末冶金马氏体不锈钢材料的研制 陈强 ， 蔡 一湘 ， 李丹 丹 ， 谭 立新 广州有色金属研究 院 广东 广州 5 1 0 6 5 0 摘 要 在 对含碳 1 的 C r l 4 Mo Mn S i 马 氏体 不锈钢 材料 的粉 末冶金 工 艺研 究 中， 分析烧 结温 度对密度和硬度的影响。结果表明 该材料有 比粉末冶金 4 4 0 C马氏体不锈钢 更为宽范的烧 结 温度 ； 有很 高的烧 结 密度 和 淬 火硬 度 。该 材料 合 适 的粉 末 冶金 工 艺为 成形 密度 5 ． 8 ～ 6 ． 0 g ／ c m。 ； 真空烧结温度 1 2 3 5 ～1 2 5 5℃， 保温时间 2 h ； 淬火温度 1 0 5 0℃， 冷却介质 氮气。烧结 态相 对 密度 可达 9 8 ． 6 ； 淬 火硬 度 5 4 ～5 8 HR C。 关键 词 马 氏体 不锈钢 ； 4 4 0 C不锈 钢 ； 烧 结 ；淬 火 中图分类 号 TF 1 2 4 文献标 识码 A 文章 编号 1 0 0 6 6 5 4 3 2 0 1 3 0 3 0 0 5 2 0 4 RES EARCH 0F POW DER M ETALLU RGY M ARTENSI TE S TAI NLESS STEEL M ATERI AL C HE N Qi a n g ，C AI Yi x i a n g，L I Da n d a n ，T AN L i - x i n Gu a n g z h o u Re s e a r c h I n s t i t u t e o f No n f e r r o u s Me t a l s ， Gu a n g z h o u 5 1 0 6 5 0 。 Ch i n a Ab s t r a c t Th e p a p e r s t u d i e d t h e p o wd e r me t a l l u r g y p r o c e s s o f t h e ma r t e n s i t i c C r l 4 Mo M n S i s t a i n l e s s s t e e l wi t h c a r bo n c on t e n t o f 1 ，a s we l 1 a s t he i nf l ue n c e o f s i n t e r i n g t e mpe r a t u r e o n d e n s i t y a nd ha r dn e s s ． Th e r e s u l t s s ho we d t h a t t h e ma r t e ns i t i c Cr l 4 M oM nSi s t a i nl e s s s t e e l wi t h c a r b on c on t e n t of 1 i n di c a t e d wi d e r s i nt e r i ng t e m p e r a t ur e r a n ge t ha n p o wde r me t a l l u r gy 44 0 C ma r t e n s i t i c s t a i n l e s s s t e e l ，a nd a l s o t h e hi g h s i nt e r i n g de ns i t y a n d s i nt e r i ng ha r d ne s s ． The a p pr o pr i a t e c o nf i gur a t i o n o f p owde r m e t a l l u r gy p r oc e s s c o r r e s po nd i n g t o t he ma r t e ns i t i c Cr 1 4 M o M nSi s t a i nl e s s s t e e l wi t h c a r bo n c on t e nt o f 1 we r e c o nc l ud e d a s f o l l O WS t h e d e n s i t y o f t h e f o r me d s p e c i me n s wa s 5 ． 8 ～6 ． 0 g ／ c m。 ；t h e v a c u u m s i n t e r i n g t e m p e r a t u r e wa s 1 2 3 5 ～ 1 2 5 5℃ ，t h e h o l d i n g t i me wa s 2 h o u r s t h e q u e n c h i n g t e mp e r a t u r e i n n i t r o g e n wa s 1 0 5 0 ℃ 。t h e q u e n c h i ng t i m e wa s 3 0 mi n ut e s ． The r e l a t i v e d e n s i t y a n d h a r d ne s s o f t he r e s ul t e d s pe c i me n s we r e 9 8 ． 6 a nd HRC5 4 5 8，r e s pe c t i ve l y． Ke y wo r d s ma r t e ns i t e s t a i nl e s s s t e e l ；4 4 0C s t a i n l e s s s t e e l ；s i n t e r i ng；q ue nc hi n g 粉末冶金方法生产不锈钢， 与传统熔炼工艺相 比， 材料利用率高 、 尺寸精度高、 近净成型、 组织结构 均匀 ， 因而广泛用于机械 、 化工、 汽车、 仪器仪表 、 食 品工业等行业[ 1 ] 。在食品工业 中， 越来越多的用到 了粉末冶金马氏体不锈钢材料。如家用咖啡机中的 磨盘、 花生酱机磨盘 、 铰肉机刀盘等。而在这些粉末 冶金马氏体不锈钢 的应用中， 基本只用到了 4 1 0系 列材料 ， 很少用 4 4 0 C系列材料。分析原因有二 其 一 ，没有要求硬度 5 4 HR C； 其二 ， 4 4 0 C粉末冶金 马氏体不 锈钢 材料烧 结温 度范 围过 于 严苛 ， 只有 1 O K_ 2 ； 且 4 4 0 C系列材 料 的烧 结 区间为 超 固相线 液相 烧结口 ] ， 在如此窄的烧结温度范 围内， 烧结变形大 、 收稿 日期 2 0 1 2 1 0 一O 9 作者简介 陈强 1 9 5 6 -- ， 男 汉 ，重庆江津人， 学士 ， 高级工程师， 主要研究方向为不锈钢和粉末注射成形 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 陈强等 粉末冶金马氏体不锈钢 材料 的研制 5 3 不易控制零件尺寸精度 。使其应用受到了限制。因 此 ， 寻求一种烧结温度较 4 4 0 C宽范 ， 零件尺寸精度 易 于控制 ， 而硬 度 5 4 HR C的 材料 ， 是 满 足一 些 应 用领 域 的必然 。 1 实验部分 1 ． 1 试 样 制备 本试验所用的材料为邯郸埃斯尔粉末公司水雾 化 生产 的 C r l 2不 锈 钢 粉 和 4 4 0 C不 锈 钢 粉 。粒 度 小于 1 5 0 m， 其主要成分和性能见表 1 ～表 3 。 表 1 C r l 2粉末 的主要化 学成 分 ％ 表 3 粉末的粒度组成 ％ 及松装密度 将 C r l 2和 4 4 0 C粉末 ， 按一定的 比例称料Ⅲ ， 每 I O 0 0 g加入质量分数为 0 ． 8 9 ／ 6 的石墨粉和质量分 数为 0 ． 5 的润 滑 剂 。在 双锥 型混 料 机 中混合 3 ． 5 ～ 4 。 0 h 。混合料的主要化学成分见表 4 。 表 4混合料 的主要化学成分 ％ 元素 C r Mo Mn S i C F e 在 5 0 0 ～ 6 0 0 MP a压 力 下 压 制 成 1 9 ． 8 mm 1 9 ． 8 mm 5 ． 6 mm 试 样 ， 压 坯 密 度 5 ． 8 ～ 6 ． 0 g ／ c m。 ； 在真空 炉 中， 不 同温度下烧结 ， 保温时 间 1 ． 5 h ， 随 炉冷 却 到 9 5 0℃ ， 充 入 氮 气 ； 在 连 续 网 带 淬 火 炉 中进 行 热 处 理 ， 淬 火 温 度 1 0 5 0℃ ， 保 温 3 0 mi n ， 冷却 介 质 为氮 气。尺 寸精 度 以实 际零件 按 每 炉 2 2 0 0件在 1 2 4 5℃、 保温 1 ． 5 h 、 随炉冷却到 9 5 0℃， 充入氮气 。出炉后分层取样进行测量 。 1 ． 2测试 方法 试样密度按 GB ／ T 5 1 6 3 1 9 8 5标准测定 ； 硬度 按 I S O6 5 0 8标 准用 HD I 一 1 8 7 5型 布洛维硬 度计测 定； 用 OM NI ME NT 一 3型 图像 分析仪 观察显微组 织 。尺 寸测量 用游 标尺 。 2 试验结果与讨论 2 ． 1烧结材 料 的金相 组织 对 不 同烧结 温 度 下 烧 结 后 的试 样 如 图 1 ， 进 行 金相分析。烧结态组织为珠光体加 网状碳化物 ， 由 图 1 可见 ， 随着烧结温度的提高， 晶粒变粗大， 网状 碳 化 物也变 得粗 大 ， 并 且 从 不 连续 变 得 连 续 。当 温 度较低时 1 2 3 5℃ ， 晶粒 中残 留有少量 的孔隙， 但 都 已球化。而淬火态组织为网状碳化物 、 马氏体、 颗 粒 状二 次碳 化 物 、 晶界 处 为 块 条状 碳 化 物 。而 随 着 烧结温度的提高 ， 淬火后 ， 残余奥氏体量增加 ， 晶界 处的碳化物也由条状向块状转化 ， 最终变为连续的 网状。残留的孔隙 ， 则随着烧结温度的提高 ， 而基本 消失 。 晶粒 粗 化 明显 ， 且 晶粒 明显 圆化 。由金 相 组 织来 看 ， 1 2 4 0℃烧结 1 0 5 0℃淬 火 的组 织 最好 ， 晶界 处的碳化物为条状 ， 晶粒 内都为马氏体和二次碳化 物， 基本上没有残余奥 氏体 。为什么烧结温度提高， 淬火后残余奥氏体量会增加 的机理， 有待进一步研 究 。而此 现象也 出现在 4 4 0 C 的粉末 冶 金 马 氏体 钢 引 。 2 ． 2烧 结材料 的密 度 用 排 水 法 测 定 的 不 同烧 结 温 度 烧 结 试 样 的密 度 ， 结 果 如 图 2所 示 。烧 结 试样 密 度 随 着 烧结 温 度 的升 高 ， 在较小 的温 度范 围 内 2 0℃ ， 显 著 提高 ， 相 对密度超过 9 8 。但当达到一定烧结温度后 1 2 4 0 ℃ ， 再提 高烧 结温度 ， 烧 结试样 密度 ， 基本 上就 变化 不明显了。有资料表明_ 5 ] 这是预合金粉的超 固相 线液 相烧 结 S u p e r s o l i d u s L i q u i d S i n t e r i n g 所特 有 的烧结现象 。当烧结温度较低时 1 2 2 0℃ ， 此时只 是纯 固相 烧结 ， 因此 材 料 密度 相 对 较低 。当烧 结 温 度增 加 到 1 2 3 5℃ 时 ， 出现 了超 固相 线液相 烧结 。它 是属于液相烧结的范畴 ， 但又不同于传统 的混合粉 的液相烧结 。它是将预合金粉末加热到合金相图的 固相线与液相线之 间的某一温度 ， 使每个预合金粉 末 的 晶粒 内、 晶界 处 、 粉 末 表 面形 成 液 相 ， 从 而使 烧 结体迅速达到致密。其特点为 在烧结过程中， 固相 和液相的体积分数及成分是基本恒定的 ； 粉末颗粒 本身是液相源 ， 液相对固相 的润湿是迅速 、 均匀 、 完 整的； 颗粒之间及晶界处 的液相膜对致密化起决定 作用 ； 可灵活的调整烧结温度和合金成分来控制液 相的体积分数 ， 以便获得最好的显微组织和力学性 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 陈强等 粉末冶金马 氏体不锈钢材料的研制 5 5 达到快速传递物质 的 目的， 从而使烧结试样达到致 密[ 7 ] 。相对密度超过 9 8 ， 接近全致密 。随着烧结 温度 的增 加 ， 密 度 增 加 不 明 显 。该 材 料 配方 的液 相 量是 有 限的 ， 再 提高 烧结 温度 不能 增加 液相 量 ， 反而 使晶粒粗化 ， 恶化 了显微组织 ， 但 在本试验范 围内， 其结 果还 是可 以接 受 的 。 图 2烧结温度与密度和相对密 度的关系 2 ． 3 烧 结材 料 的硬 度 在 布洛 维硬 度计 上测定 了不 同烧 结 温度下 烧结 后 和淬 火后 的试 样硬 度 。结 果 如 图 3所 示 。烧 结试 样的硬度， 随着烧结温 度的提高而增加。烧结温度 在 1 2 4 0℃以前 ， 温度提高 ， 硬度增加 明显； 而这以后 硬 度增 加就 不 明显 了 ， 由此可 见 ， 烧 结材 料 的硬度 主 要取决于材料的密度[ 8 ] 。淬火试样 的硬度， 在 1 2 4 0 ℃以前 ， 随烧结温度的提高而增加 。在 1 2 4 0℃点达 到峰值后 ， 随烧结温度的提高而略有降低。这从前 面的金 相观 察 可知 ， 淬火组 织 中 的残 余 奥 氏体 ， 随烧 结温度的提高而增加 。从而使淬火硬度随烧结温度 的提 高而 降低 。 ． 图 3烧 结 温 度 与硬 度 的 关 系 2 ． 4 烧 结材 料 的尺寸 精度 用实 际零 件 ， 经 不 同烧结 温度 烧结 后 ， 测 定最 大 尺寸 ， 结果如图 4所示 。在 1 2 4 0℃温度烧结 ， 由于 超 固相线 液相烧 结 进 行 得 充 分 ， 烧 结试 样 密 度 接 近 于所能达到的极限水平 ， 故再提高烧结温度 ， 其尺寸 精 度变 化不 大 。尤其是 在 1 2 4 0 1 2 5 0℃ 区间烧结 ， 因其相对密度 只提高 了 0 ． 1 ， 固尺寸精 度基本 没 有变化 。这使大批量生产成为可能。一般生产用真 空炉 的炉膛 温 差 在 5℃ 。故 批 量 生 产 时 ， 外 径 尺 寸控制在 4 5 ． 5 0 ． 2 mm范围内。尺寸精度达到了 0 ． 45 图 4 烧结温度与尺寸精度的关系 3 结论 1 含碳 1 的 C r 1 4 Mo Mn S i 的马 氏体 不锈 钢 材料 ， 只 有通 过超 固相线 液相 烧结 ， 才 能获 得理 想 的 材料 性 能和组 织性 能 。 2 该材 料 的最佳烧 结 温度 区间在 1 2 4 0 1 2 5 0 ℃ ， 在此 温度 区 间烧 结 ， 烧 结试 样 的相对 密度可 超过 9 8 9 ／ 6 ； 淬火硬度可达 5 4 ～5 8 HR C； 其产品的尺寸精 度 可控制 在 0 ． 4 5 9 ／ 6 以 内。 ● 参 考文 献 [ 1 ] 沈时明 国内外烧 结不锈 钢材 料的发 展[ J ] ． 粉末冶 金 技术 ， 1 9 9 2 ， 1 0 1 6 9 7 6 ． [ 2 ] Ha n s Wo h l f r o mm ． e t a 1 ．粉末 注射成 形不锈 钢 制 取工艺、 性 能 、 应用 [ J ] 粉 末冶金 工业 ， 2 0 0 2 ， 1 2 4 7 1 5 ． ’ [ 3 ]梁 良华 ， 李笃 ， 李昆． 4 4 0 C不锈钢 金属注射成形 工艺研 究[ J ] ． 粉末冶金工业 ， 2 0 0 7 ， 1 7 6 4 1 4 5 ． E 4 ] 陈强 ， 蔡一湘 ， 罗锴．一种粉末冶 金不锈钢材料 的制备 方法I- p ] ． 中国专利 ， 2 0 0 9 1 2 9 ． I s ] 余 俊 ， 郑勇 ， 雷景富．粉末冶金工 艺制备不锈钢 的研究 进展[ J ] ． 机械工程材料 ， 2 0 1 2 ，3 6 2 1 - 1 0 ． [ 6 ] 曾德麟 ， 张怀 泉．超 固相 线液 相烧结 E J ] ． 粉末 冶金 工 业 ，1 9 9 5 ， 5 1 6 - 1 1 ． [ 7 ] G E R MAN R M， S u p e r s o l i d u s l i q u i d p h a s e s i n t e r i n g o t p r e a l l o y e d p o wd e r[ J ] ．Me t a l l u r g i c a l a n d Ma t e r i a l s Tr a n s a c t i o n s ， 1 9 9 7 ， 5 5 1 2 1 0 6 3 1 0 6 6 ． [ 8 ] 傅 肃嘉 ， 应金根 ， 龙 郑易 ， 等．烧结法制备 高碳铬 钒工 具钢 的研究 [ J ] ． 粉末冶金技术 ，2 0 0 9 ， 2 7 4 2 5 9 2 6 3 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m